固體激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用

1、第一章 引言激光是人類在上個(gè)世紀(jì)所創(chuàng)造的最杰出的技術(shù)成就之一。 自上世紀(jì) 60 年代， 梅曼發(fā)明了全球首臺(tái)激光器以來， 激光技術(shù)的發(fā)展至今已經(jīng)碩果累累， 并且已經(jīng) 在人類社會(huì)的各行各業(yè)中普遍應(yīng)用。從固體激光器的出現(xiàn)到今天， 一直都特別的備受大家的關(guān)注。 因?yàn)樗哂蟹?值功率高， 輸出能量大， 以及結(jié)構(gòu)緊湊耐用等特點(diǎn)， 所以在各個(gè)方面都有廣大的 用途，具有不可估量的價(jià)值。有了這些優(yōu)異的特點(diǎn)，固體激光器在科學(xué)研究、國(guó) 防軍工、工業(yè)生產(chǎn)、 醫(yī)療健康等領(lǐng)域獲得了大量的運(yùn)用， 使我們的日常生活越來 越美好。目前激光器的研究重點(diǎn)方向是使器件的體積愈來愈小、器件的重量愈來愈 輕、效率愈來愈高、光束質(zhì)量愈來愈

2、好、可靠性愈來愈高、壽命愈來愈長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn) 愈來愈敏捷的全固態(tài)激光器。全固態(tài)激光器的應(yīng)用擴(kuò)展到了我們生活的各個(gè)領(lǐng) 域，它是應(yīng)用領(lǐng)域中基礎(chǔ)的、 特別重要的核心器件， 已經(jīng)成為了我們?nèi)粘；顒?dòng)中 不可或缺的幫手。 它的結(jié)構(gòu)、 輸出功率、 轉(zhuǎn)換效率以及光束質(zhì)量都取得了非常大 的進(jìn)步，具有強(qiáng)大的生命力。全固態(tài)激光器匯聚了半導(dǎo)體激光器和固體激光器的特點(diǎn)， 具有體積小、 效率 高、光束質(zhì)量好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)靈便等優(yōu)點(diǎn)，所以是前途光明的激光 研究方向 ,它通過變頻獲得寬波段輸出、便于模塊化和電激勵(lì)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng) 在科研、醫(yī)療、工業(yè)加工、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，是新一代性能卓越的 綠色、節(jié)能光源 1。

3、現(xiàn)如今，激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 已經(jīng)是企業(yè)向信息化轉(zhuǎn)型的不可 缺少的推動(dòng)力量， 而且推動(dòng)了一個(gè)完整的高新技術(shù)鏈條的有序成長(zhǎng)。 根據(jù)國(guó)外的 相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)， 國(guó)外的激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r呈現(xiàn)出繁榮昌盛的景象， 市場(chǎng)需求不斷 上漲，每年以百分之二十以上的速度上升。如今，我國(guó)的激光市場(chǎng)發(fā)展穩(wěn)定、增 長(zhǎng)速度飛快。根據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告， 我國(guó)的激光產(chǎn)品在 1999年的市場(chǎng)銷售額僅為 14.13 億，2005年達(dá)到了 47.75 億。所以固體激光器的發(fā)展呈現(xiàn)出非常好的趨勢(shì)， 具有 非常廣闊的市場(chǎng)，有很大的發(fā)展空間。- 1 -第二章 激光與激光器2.1 激光2.1.1激光（ LASER ）它是指在受激輻射的作用下把

4、光變強(qiáng)的現(xiàn)象，英語稱號(hào)為 Laser。2.1.2激光產(chǎn)生的條件激光產(chǎn)生的條件有三個(gè)：1）具備能夠?qū)崿F(xiàn)能級(jí)躍遷的工作介質(zhì)，叫做激活介質(zhì)，它能讓上、下兩個(gè)能級(jí) 之間處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)；2）有提供光反饋的光學(xué)諧振腔，其作用一是延長(zhǎng)工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，使工作物 質(zhì)進(jìn)行持續(xù)的受激輻射， 達(dá)到給光子加速這個(gè)目標(biāo)； 二是能夠?qū)τ诩す獾陌l(fā)射方 向進(jìn)行干涉現(xiàn)象；三是對(duì)于輸出的波長(zhǎng)進(jìn)行控制。3）有能夠使工作物質(zhì)從低級(jí)向高級(jí)轉(zhuǎn)化所需要的能量，從而能夠使得激光達(dá)到 發(fā)生的條件。2.1.3激光的特性激光產(chǎn)生的機(jī)理與普通光源的發(fā)光有區(qū)別， 所以激光具備不同于普通光的特 性：高度的方向性、單色性、相干性和高亮度 2 。單色性

5、是指光的強(qiáng)度依照其頻率進(jìn)行排列的方式。 這個(gè)指標(biāo)可以通過頻譜分 布的寬度進(jìn)行衡量，頻譜越寬，說明其性能越差。方向性是指光能夠按照要求在某個(gè)位置進(jìn)行分布。 這樣我們就可以使光在很 遠(yuǎn)的距離也能夠有很高的強(qiáng)度， 這是光傳播距離的指標(biāo)， 方向性越好， 說明其照 射的距離越遠(yuǎn)。單色亮度是衡量光源的發(fā)光能力的指標(biāo)， 它的物理意義是單位截面、 頻寬和 立體角內(nèi)，光源的發(fā)射功率。2.2 激光器的發(fā)明與發(fā)展上世紀(jì)20年代，Albert Einstein的光子受激輻射原理為激光的出現(xiàn)提供了巨 大的幫助， 這個(gè)原理是指處于高能態(tài)的光子受到低能態(tài)的光子作用， 轉(zhuǎn)變成低能 態(tài)，并且產(chǎn)生第二個(gè) ，同之前的光子一起發(fā)射

6、3。1951 年，湯斯提出了微波激射器的概念。 1954 年，美國(guó)科學(xué)家湯斯和俄國(guó) 科學(xué)家普羅霍羅夫得到了氨分子的粒子束發(fā)轉(zhuǎn)現(xiàn)象， 不久之后他們又發(fā)現(xiàn)了微波 的受激發(fā)射。1956年，荷蘭物理學(xué)家Bloembergen創(chuàng)造了通過光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)能 夠?qū)⒘Ｗ邮M(jìn)行反向排列的概念。1958年，美國(guó)物理學(xué)家Schawlow和Townes通過諧振腔的作用得到了激光 器以及俄國(guó)科學(xué)家普羅霍羅夫也研制成功了振蕩器和放大器， 這兩個(gè)發(fā)明對(duì)于激 光的發(fā)現(xiàn)提供了非常偉大的幫助。1960年，在前人激光理論基礎(chǔ)上，美國(guó)物理學(xué)家Maiman研發(fā)了全球首臺(tái)激1965年，人類歷史上首臺(tái)CO2激光器在美國(guó)被順利研發(fā)成功，

7、這是有史以 來世界上首臺(tái)可以生產(chǎn)大功率的激光器。緊接著兩年后X射線激光器也被順利的研發(fā)出來?，F(xiàn)在我們生活的各個(gè)領(lǐng)域?qū)す饧夹g(shù)基本上都有普遍的運(yùn)用。而對(duì)于我國(guó)激光器具體的研制成功的發(fā)展情況，由下表2.1可以清晰的看到:表2-1我國(guó)激光器的發(fā)展情況研制成功時(shí)間H&N亡激光器1963年7月鄧錫銘等摻枚玻璃激光器1963年&月干福熹尊婕靈冋質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器19心年12月王守武等脈沖Ar-激光器1964年卻月萬重怡等分子激光器1965年g月王潤(rùn)文竽CHH化學(xué)激光器1966年3月鄧錫銘等YAG激光器1966年7月屈乾華等2.3激光器的類型自上世紀(jì)60年代激光器發(fā)明至今，有關(guān)這方面的科學(xué)技術(shù)

8、已經(jīng)得到了很大 的進(jìn)步，現(xiàn)在各行各業(yè)都有激光技術(shù)的成功運(yùn)用。 激光器的類型較多，我們可以 遵循以下的分類手段將其類別：1）工作物質(zhì)：按照這種方式我們可以將其主要分為固體、氣體、染料、半 導(dǎo)體、光纖以及自由電力等六種激光器。2）激勵(lì)方式：按照這種方式可以將其分為光泵式、化學(xué)以及核泵浦三種激 光器；3）運(yùn)轉(zhuǎn)方式：按照這種方式可以將其分為連續(xù)、單脈沖、鎖模以及可調(diào)諧 等四類激光器。4）按輸出波長(zhǎng)的長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)其進(jìn)行區(qū)別，包括紅外激光器、可見激光 器、紫外激光器和X射線激光器四類。如下表2.2所示：- 13 -表2 .2激光器的分類分類方式運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)激光器JJ單次脈沖激光器鎖模激光器_可調(diào)諧激光器

9、L-輸出波長(zhǎng)紅外激光器一可見激光器*1紫外激光器X射線激光器J第三章固體激光器3.1固體激光器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)這種激光器的作用原理是工作物質(zhì)通過能量吸收后達(dá)到激發(fā)態(tài)， 為了能夠使 得粒子束反轉(zhuǎn)以及保持這種狀態(tài)提供體檢， 進(jìn)而使得光放大然后輸出。這類激光 器的結(jié)構(gòu)如下圖3.1所示：全反射鏡部分反射鏡滋光AJk/t 電電 *1蠢脈沖冰燈工作物質(zhì)觸發(fā)電路圖3.1固休激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖1）工作物質(zhì)aa工作物質(zhì)是激光器能夠產(chǎn)生作用不可缺少的關(guān)鍵構(gòu)成成員，它包括激活粒子 和基質(zhì)兩種構(gòu)成成分。激光中的很多重要的性能參數(shù)都是由激活粒子能級(jí)構(gòu)造作 用而成，基質(zhì)主要是對(duì)物質(zhì)的性能產(chǎn)生影響。2）泵浦系統(tǒng)泵浦

10、系統(tǒng)工作的時(shí)候需要的前提工作條件有兩個(gè)必要條件：一是泵浦的發(fā)光效率一定要滿足系統(tǒng)的運(yùn)行；二是對(duì)于受激輻射光的屬性一定要和工作物質(zhì)的光 譜屬性相一致。我們還有經(jīng)常使用的泵浦源有：太陽能、惰性氣體等和激光二極管等?，F(xiàn)在 惰性氣體是最經(jīng)常使用的泵浦源，而在小型的功率器件中太陽能這類的泵浦源經(jīng) 常用到，現(xiàn)在我們?cè)谶@方面的技術(shù)正在朝著 LD泵浦的方向邁進(jìn)，它的優(yōu)良特點(diǎn) 比較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)以 及體積小等，現(xiàn)在它已經(jīng)是固體激光發(fā)展中最有發(fā)展前景的泵浦源。LD激光器可以分為端面、側(cè)面、邊面以及混合泵等分類形式5，圖3.2為端 面和側(cè)面的泵浦結(jié)構(gòu)圖。仙縣舫it圖

11、3. 2二極蘇浦方5臨果示意圖3）聚光系統(tǒng)該部分主要有以下兩個(gè)功能：首先是把工作物質(zhì)和泵浦系統(tǒng)結(jié)合起來； 第二個(gè)功能則是對(duì)于工作物質(zhì)的光密度排列方式起著決定作用，進(jìn)而可以對(duì)光束的各種參數(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行干擾。聚光腔內(nèi)由工作物質(zhì)以及泵浦源組成， 所以泵浦的性能好壞影響程度主要受到聚光腔的影響。 現(xiàn)在一些比較小的固體激光器常常采用如圖3.3所示的橢圓形腔F；圖3.3橢圓形聚光腔4）光學(xué)諧振腔反射鏡是固體激光器非常重要的構(gòu)成成員，反射鏡的主要作用是通過保持激 光的連續(xù)振蕩形式來完成激光發(fā)生，而且對(duì)于光束的振動(dòng)方向以及頻率予以約 束，從而達(dá)到激光的高性能指標(biāo)參數(shù)。5）冷卻與濾光系統(tǒng)這一部分是激光器中最不可

12、或缺的輔導(dǎo)設(shè)備。 由于固體激光器在發(fā)生作用時(shí) 容易造成非常劇烈的熱效應(yīng)，故一般必須使用冷卻的方法。為了使得激光器和其 他構(gòu)件的安全，我們一般都是通過對(duì)工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)以及聚光腔的降溫冷卻 來實(shí)現(xiàn)對(duì)其的保護(hù)作用?，F(xiàn)在的冷卻有液體、氣體和傳導(dǎo)三種方法，但是液體冷 卻法是現(xiàn)在最喜歡使用的一種。在高單色性能的光獲取過程中，濾光系統(tǒng)起了重 要的作用，它的作用原理是能夠把泵浦光中的大部分或者有影響的光能夠成功的 去除，從而能夠獲得高單色性能的光。3.2典型的固體激光器隨著這類技術(shù)多年的成長(zhǎng)積累，現(xiàn)在固體激光器的類型更是各種各樣都有， 但是我們最經(jīng)常使用的主要還是泵浦源為紅寶石、摻釹釔鋁石榴石和二極管的固

13、體激光器以及可調(diào)諧固體激光器等這幾類。3.2.1紅寶石激光器（Cr3+:Al2O3）紅寶石是摻有少量Cr3+離子的藍(lán)寶石（AI2Q），紅寶石激光器的工作物質(zhì)是 紅寶石晶體（Cr3+:AI 203）,其中Cr3+是發(fā)光的激活粒子，它屬于三能級(jí)系統(tǒng)，決 定著輸出激光的光譜特性；而 AI2Q是基質(zhì)晶體。如下圖3.4為紅寶石中鉻離 子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。r圖3.4齬離子的影及結(jié)構(gòu)圖這類激光器具有如下的優(yōu)點(diǎn):1）激光器機(jī)械硬度大、穩(wěn)定性較好，能夠接受功率密度較大的激光，而且 生產(chǎn)的光的尺寸也較大；2）使用時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)存大，能夠有大能量的激光發(fā)射；3）激光頻譜較大，能夠輕易的獲得高能量的單膜；4）它的性能穩(wěn)定、可以

14、輸出波長(zhǎng)為 400760nm 的光。在我們實(shí)際的工程領(lǐng)域，這類激光器具有較好的市場(chǎng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的傳感器 能夠響應(yīng)的波長(zhǎng)在可見光處，并且很多的稀土類四能級(jí)的工作波長(zhǎng)也都是處于 400760nm 附近。當(dāng)然任何事物都有兩面性，它也難免會(huì)有缺點(diǎn)：首先它是三能級(jí)的構(gòu)造，因 此它所需要構(gòu)建的閾值較大；其次紅寶石的特性目標(biāo)對(duì)于溫度非常的敏感； 然后， 對(duì)于它的激發(fā)頻率比較低，這就導(dǎo)致了它能夠長(zhǎng)時(shí)間的工作；發(fā)散角輸出通常在 三到十毫弧這個(gè)范圍內(nèi)，稍微偏大。如下圖3.5所示，這是我國(guó)首臺(tái)紅寶石激光器，這臺(tái)激光器在光的激發(fā)形式 上，處于世界級(jí)領(lǐng)先水平。圖$5中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器322摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd

15、3+:YAG）這類是四能級(jí)系統(tǒng)的激光器，它的工作效率較高，使用時(shí)間長(zhǎng)以及工作的閾 值較低，輸出的波長(zhǎng)較低，所以能夠長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行工作。它的結(jié)構(gòu)與前面那種激光器的構(gòu)造根本上是一致的。由于它的工作物質(zhì)和與 其對(duì)應(yīng)的光泵不同，所以能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的工作。這類激光器的晶體是以YAG為基礎(chǔ)材質(zhì)，混入適當(dāng)?shù)腘d3+共同組成了晶體 結(jié)構(gòu)。這種晶體有許多優(yōu)良特性，例如：熱的傳導(dǎo)效率較快，這樣就對(duì)激光器的 連續(xù)工作創(chuàng)造了非常好的基礎(chǔ)；三價(jià)稀土離子的釔鋁石榴石晶體具有1970E的熔點(diǎn)，能夠承受較大的輻射；它的熒光寬度僅為6.5cm，所以它的工作閾值較??； 熒光量子的工作效率可近似接近于1,成為了現(xiàn)在的固體激光器內(nèi)極其

16、優(yōu)秀的工 作物質(zhì)。它通常把氪燈當(dāng)作是泵浦光源。氪燈與氙燈的構(gòu)造基本相同，區(qū)別是它的燈 管內(nèi)充有大氣壓為2到4的氪氣。該一類晶體是屬于四級(jí)能系統(tǒng)，它能夠通過熒光發(fā)射而產(chǎn)生激光以及三價(jià)的稀土離子，圖3.6所示為該類激光器的能級(jí)構(gòu)造圖在實(shí)現(xiàn) 4F3/2 41 11/2、 4F3/2 41 13/2、 4F3/2 41 9/2 能級(jí)間躍遷時(shí)，生成了二條不 同的熒光譜線，由下圖3.6所示，其中1.06um的譜線能量要比其它兩條的大。 所以1.06um首先達(dá)到閾值形成激光振蕩。圖3.6 Nd3 : YAG能級(jí)結(jié)構(gòu)7岳2汽盂一g os11F323摻鉺釔鋁石榴石激光器（Er:YAG ）最近幾年，由于這類激光器

17、的波長(zhǎng)比較獨(dú)特，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并 且在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也取得了較大的應(yīng)用，對(duì)于未來的發(fā)展有很好的前景。這類激光器的基本結(jié)構(gòu)與Nd+:YAG激光器基本結(jié)構(gòu)相似，通常采用脈沖氙燈 泵浦，聚光腔為鍍銀的單橢圓柱腔或雙橢圓柱腔， 但是它的光學(xué)元件必須與水蒸 氣隔離（不隔離激光束將破壞），因此需要將激光器密閉在干燥的容器之中 。它具有較高的光學(xué)性能、較小的損耗，而且激光輸出方面比較的高，物理化 學(xué)性能較穩(wěn)定，能特別高效的去掉硬組織。如下圖3.7所示為激光輸出波長(zhǎng)為2.94 微米的Er:YAG激光躍遷能級(jí)圖。7_.41 &牯79丹 &S7手itSCJC)07 79 若若門之 3卻些5

18、 石弐斗4圖3.7 Er:YAG激光躍遷能級(jí)圖324可調(diào)諧固體激光器這一類激光器也具備了比較多的優(yōu)異的特點(diǎn)： 它的內(nèi)存較大，能夠使儲(chǔ)存時(shí) 間較大；其使用時(shí)間長(zhǎng)；閃光燈或者二極管泵浦時(shí)效果非常明顯；在調(diào) Q的情 形下也能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；產(chǎn)生光束性能好，并且諧波的產(chǎn)生能力也較好?？烧{(diào)諧固體激光器指的是在一定范圍內(nèi)，能夠使輸出波長(zhǎng)連續(xù)改變的固體激 光器，我們可以將它分為兩類：一類是色心激光器；一類是用摻過渡族金屬離 子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。前者是指工作物質(zhì)為有色心的晶體，這種色心是由于正負(fù)離子的缺失造成 的。它的熒光線寬因?yàn)榫w振蕩的干擾而使得其寬度較大。色心激光器調(diào)諧范圍寬為0.63.65微米

19、，線寬窄，但是大部分都只能在低 溫下工作。激光晶體主要包括金綠寶石、 Cr:GSGG和摻鈦藍(lán)寶石等，其中性能 最好的固體可調(diào)諧材料是鈦藍(lán)寶石9。3.2.5二極管泵浦的固體激光器第一臺(tái)二極管泵浦的固體激光器誕生于 1962年，它不同于以往的以閃光燈 作為泵浦源的固體激光器，它的泵浦源是 LD，被稱為全固態(tài)激光器，這主要是 因?yàn)樗脑骷际恰肮虘B(tài)”的。它的優(yōu)點(diǎn)比較明顯：具有很強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換率、功 率大、穩(wěn)定性好、安全可靠、使用時(shí)間長(zhǎng)以及體積小等。全固態(tài)激光器種類很多，可以按照如下表3.1來分類:表3,1全固態(tài)激光器分類表分類依16全固態(tài)激光器泵浦方式端面泵浦、側(cè)面泵浦、邊面泵浦、角泵浦、多通道輻合泵

20、浦、混合泵浦介質(zhì)形狀EI棒澈光器，板條激光器、薄片激光器、寵千澈光器工作機(jī)制基頻激光器、諧波發(fā)生器、參量振蕩器輸出液長(zhǎng)紅外光澈光器、可見光激光器、紫外光激光器玻瑞激光器、晶體激光器、陶瓷激光器、光激光器單脈沖激光器、穩(wěn)態(tài)激光器、熱容激光器頻t嫦性單波長(zhǎng)激光器多減長(zhǎng)激光器、單縱模澈光器、多縱模激光器、可調(diào)諧澈光礎(chǔ)敷光蚩嶷敷光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器、脈沖激光器3.3固體激光器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)固體激光器的優(yōu)點(diǎn)：1）它的能量輸出較大，而且峰值處的功率也較大。這主要是因?yàn)樗哪芗?jí) 構(gòu)造較特殊，所以能夠輸出能量和功率較大的激光。這個(gè)是它最突出的優(yōu)點(diǎn)。2）它的物理機(jī)械強(qiáng)度較大，而且制造成本較低。同另外的種類的相對(duì)照，

21、 這類激光器的構(gòu)造更加簡(jiǎn)便且超級(jí)經(jīng)用，而且它的生產(chǎn)成本還更加低。3） 所需要的材料種類繁多。它的工作物質(zhì)現(xiàn)在少說都有100多種，并且呈 現(xiàn)出越來越猛烈的增長(zhǎng)勢(shì)頭。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的特性優(yōu)異的原材料被發(fā)明，以至于固體激 光器的機(jī)能朝著越來越好的方向邁進(jìn)。固體激光器的主要缺點(diǎn)：1）它的熱穩(wěn)定性較差，持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間就生產(chǎn)出很大的熱量。由于它的 功率和能量輸出都比較大，就非常容易的導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量過大，所以必需要對(duì)其 設(shè)置冷卻系統(tǒng)，這樣才能夠使得激光器長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。2）它的轉(zhuǎn)換效率與另外的品種的激光器相對(duì)照，還比較低。紅寶石激光器 工作轉(zhuǎn)換效率一般在百分之零點(diǎn)五至百分之一之間的范圍內(nèi)，而摻

22、釹釔鋁石榴石 激光器為百分之一至百分之二，百分之三已經(jīng)是它的極限了。3.4典型固體激光器的對(duì)比類型不一致的激光器具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的參考角度來分析它們能夠 得到不同的結(jié)論。如下表3.2,我們可以根據(jù)工作物質(zhì)的不同、 輸出波長(zhǎng)的長(zhǎng)短、 能級(jí)結(jié)構(gòu)的差異以及不同的常用泵浦方式這四個(gè)方面來對(duì)比前面介紹的幾種典 型的固體激光器。裘3-戈典型固休潮光器的比較內(nèi)容激光八3 urns |輸出滅長(zhǎng)能級(jí)系統(tǒng)常用泵浦方式紅寶石激光器CEA1 心O.6943um0.6?29um三能級(jí)光泵浦撞做鉉鋁石智石激光器Nd3+:YAGl.OCgmL35|jan四能級(jí)光泵浦摻銀固體激光器ErYAG2.94pm四能級(jí)光泵浦可

23、謂諧固體激光軾藍(lán)寶石O-S-S-Pum四能級(jí)光泵浦器第四章 固體激光器的應(yīng)用固體激光器由于功率能量較大而機(jī)械工作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)， 現(xiàn)在在各行各業(yè)都有 很好的應(yīng)用， 并且朝著更加發(fā)展的方向邁進(jìn)。 下文將對(duì)它在工業(yè)生產(chǎn)、 軍事領(lǐng)域 和生物醫(yī)學(xué)等三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用給出具體的介紹。4.1 工業(yè)加工中的應(yīng)用在工業(yè)加工領(lǐng)域，激光加工是最為常見的一種應(yīng)用形式 ,我們一般將其分為 光熱和光化學(xué)反應(yīng)兩類激光加工 ,包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等 10 。 前者主要是指通過激光束的照射作用， 讓物體的表面發(fā)生熱效應(yīng)， 進(jìn)而達(dá)到我們 想要的結(jié)果，這類有焊接、切割、性能改變、鉆孔以及微小處理等。而后者的作 用原理則主要

24、是指利用激光束投射， 借助光子或者光化學(xué)反映的作用來對(duì)物體進(jìn) 行處理。1）激光切割這種方式是利用光在聚集以后產(chǎn)生非常強(qiáng)的能量， 然后實(shí)現(xiàn)切割的功能。 在 物體加工的過程中， 由于這種方式能夠大大的降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本， 而且 還可以保證加工物件的質(zhì)量，所以得到了人們的普遍運(yùn)用。2）激光焊接 這類技術(shù)是激光器用于物體加工過程中使用最頻繁的一種方法。 整個(gè)過程是 熱傳導(dǎo)型， 即通過激光器產(chǎn)生的高熱量激光對(duì)物體的表面進(jìn)行加熱， 然后經(jīng)過傳 導(dǎo)作用，最終使加工的物件達(dá)到我們想要的結(jié)果。正是因?yàn)樗拈L(zhǎng)處比較獨(dú)特，現(xiàn)在已經(jīng)被頻繁的運(yùn)用在小型的焊接工作中 了。與其它的焊接相比， 它具有明顯的焊接效率高、

25、 質(zhì)量好以及能在常溫條件下 焊接的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備構(gòu)造也較簡(jiǎn)單。3）激光鉆孔隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品向小型化的需求發(fā)展， 就要求我們的電子線路向集成化 的方向邁進(jìn)，然而這種技術(shù)需要在線路板上安裝越來越多的微型過孔以及盲孔。 而我們傳統(tǒng)的手工加工方式肯定達(dá)不到想要的精度， 而隨之這種激光器鉆孔技術(shù) 的發(fā)展，很好的解決了這個(gè)問題，具有很好的應(yīng)用前景。4.2 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用固體激光器如今在軍工方面的應(yīng)用也表現(xiàn)出了愈發(fā)強(qiáng)大的發(fā)展空間， 它在軍 工方面的運(yùn)用發(fā)展歷程中算是激光器中的后來居上。直到1990 年，有專家研發(fā)了大功率的 LD 激光器，這才使得激光器在軍事方面大顯身手，如圖 4.1 所示為 諾思羅普格魯

26、曼公司研制的高功率固體激光器。由于激光器的輸出的波長(zhǎng)較小， 這就很好的在空氣中傳輸， 進(jìn)而可以達(dá)到長(zhǎng)距離作戰(zhàn)的使用要求， 并且它的體積 相對(duì)而言還較小，運(yùn)用起來格外的便利，工作效率較高，對(duì)于后期的維護(hù)保障相 當(dāng)容易，可以在各種平臺(tái)上操作。在具體的使用方面，固體激光器在常規(guī)武器中 比較受青睞，比如軍事專用的測(cè)量距離的機(jī)器，有導(dǎo)航功能的炸彈等。而且它還有非常大的可能向定向武器方面發(fā)展，可以用于導(dǎo)彈的防御、防控 以及還是軍艦的自我防衛(wèi)等。激光器在軍事領(lǐng)域的成功運(yùn)用，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)變有非常大的變化， 而且 隨著技術(shù)的發(fā)展，它很能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化的批量生產(chǎn)，這就使得在軍事領(lǐng)域更加的 方面快捷，更有甚至可以

27、成為單邊作戰(zhàn)的重要元器件。圖4.1諾思羅普格魯曼公司研制的高功率固體激光器a激光器在未來的作戰(zhàn)使用中占據(jù)著非常重要額地位，那能夠?qū)Ψ磦刹?、保護(hù)以及清楚障礙等有很好的作用，下圖 4.2為美國(guó)軍隊(duì)的激光武器理想效果圖：圖肛2美軍未來車載激光武器效果圖在早期的軍事領(lǐng)域中，激光器主要是用來測(cè)量距離和作戰(zhàn)時(shí)候的照明作用 在上世界 60 年代紅寶石激光測(cè)距機(jī)成功發(fā)明以后，隨后的第二年就成功的運(yùn)用 到了軍事領(lǐng)域。4.3 生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的成功運(yùn)用還是從眼部手術(shù)開始的， 1962 年，人們第一次將人 的視網(wǎng)膜和眼球利用激光進(jìn)行連接， 這樣就可以做到不用對(duì)眼球進(jìn)行切開就能達(dá) 到治療的效果。固體激光器于

28、生物醫(yī)療領(lǐng)域中的使用包括醫(yī)學(xué)研究工具、 激光診斷和激光治 療三大類。1）醫(yī)學(xué)研究工具在研究醫(yī)學(xué)病理、 生理、生化的過程中， 我們可以通過固體激光器的激光照 射各個(gè)細(xì)胞， 以便對(duì)細(xì)胞的生理開展探究， 也可利用激光來做細(xì)胞手術(shù)。 現(xiàn)在固 體激光器已經(jīng)變成了科研人員研究遺傳學(xué)和胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)非常重要的器材。2）激光診斷 利用這種測(cè)試方法可以很好的對(duì)活體組織進(jìn)行內(nèi)部的檢測(cè)。 所以在對(duì)人體的 手指、牙齒以及小孩的腦積水方面都有很好的應(yīng)用。 比如現(xiàn)在科學(xué)家正在研究利 用能量為400J、輸出寬度為半毫米的激光器對(duì)牙齒進(jìn)行檢測(cè)。利用激光器來檢測(cè)血藥流動(dòng)方面的內(nèi)容的時(shí)候， 在不需要血藥進(jìn)行擾亂的情 況下就可以成功的

29、測(cè)量。當(dāng)對(duì)生物的組織進(jìn)行定量測(cè)試的時(shí)候， 我們可以很簡(jiǎn)單的測(cè)定被測(cè)對(duì)象身體 各個(gè)部位的細(xì)胞成分，來檢查對(duì)象內(nèi)的元素成分。3）激光治療 在激光治療的過程中，現(xiàn)在我們最為常用的方法就是利用激光器的凝結(jié)機(jī)。在進(jìn)行手術(shù)的時(shí)候， 我們通過激光手術(shù)刀的作用就可以對(duì)身體內(nèi)的手術(shù)部位進(jìn)行 治療，這樣就可以很好的減輕血量的流失，而且后期恢復(fù)較快，沒有干擾等。在 視網(wǎng)膜、青光眼以及鞏膜的手術(shù)上面紅寶石激光器也非常方便， 紅寶石激光器不 僅是全球第一臺(tái)激光器， 也是最早在醫(yī)學(xué)治療中使用的激光器 11。而且由于它的 工作波長(zhǎng)是可見光范圍， 不宜與血紅蛋白進(jìn)行作用， 所以在各種色素引起的病變 中非常的實(shí)用。在生物醫(yī)學(xué)治療中使用越來越普及的固體激光器是 Nd3+：YAG 激光器，由 于這一類激光器具有多種優(yōu)良特性： 轉(zhuǎn)換的效率相當(dāng)?shù)母撸?超級(jí)大的激光輸出功 率，其中激光輸出功率在單根的晶體工作時(shí)能夠高達(dá)百瓦，與C02氣體激光器相 比，具有更好的止血和凝固作用， 因此在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中經(jīng)常起手術(shù)刀